DE102024106047A1

DE102024106047A1 - Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes für ein Netzübergabemodul, Netzübergabemodul, Netzstation und ein Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation

Info

Publication number: DE102024106047A1
Application number: DE102024106047.6A
Authority: DE
Inventors: Oliver Pohl; Luis Böttcher; Sarra Bouchkati; Florian Klein-Helmkamp; Philipp Lutat; Amirali Mahjooob; Hinrikus Wolf
Original assignee: Schleswig Holstein Netz GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; EOn SE
Current assignee: Schleswig Holstein Netz De GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; EOn SE
Priority date: 2024-03-01
Filing date: 2024-03-01
Publication date: 2025-09-04
Also published as: EP4611209A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes (KNN) für ein Netzübergabemodul (10) zum Einsatz in einer Netzstation (100), insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks,
wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) mithilfe von synthetischen Trainingsdaten (SD) trainiert wird, die dazu dienen, mögliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes (A) abzubilden und Steuerbefehle (SB) in dem Netzabschnitt (A) zu bestimmen,
wobei nur ausgewählte Teile der synthetischen Trainingsdaten (SD) zum Training des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) verwendet werden,
um die Steuerbefehle (SB), insbesondere trotz unvollständiger Zustandsdaten, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung (SE) im Netzabschnitt (A), nachzubilden und somit kritische Netzzustände, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes für ein Netzübergabemodul zum Einsatz in einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz. Ferner betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Netzübergabemodul mit einem entsprechend trainierten künstlichen neuronalen Netz. Weiterhin betrifft die Erfindung eine korrespondierende Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, mit einem entsprechenden Netzübergabemodul. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, mithilfe von einem entsprechenden Netzübergabemodul.
Für die Steuerung von Marktteilnehmern bzw. Netzknoten in einem Stromnetz werden automatisierte Verfahren benötigt. Eine Steuerung kann Messdaten in dem Stromnetz sammeln und Steuerbefehle generieren, die an die Netzknoten gesendet und dort umgesetzt werden. Bekannte Verfahren erfordern für eine solche Steuerung eine Zustandsschätzung (eng. „state estimation“ oder kurz SE) von gegenwärtigen Zustandsdaten im Netz. In Kenntnis von gegenwärtigen Zustandsdaten können optimale Lastflussparameter mithilfe einer Optimierung mehrerer Lastflussparameterberechnungen (eng. „optimal power flow“ oder kurz OPF) berechnet werden. Aus diesen Lastflussparametern werden vorzugsweise in einem weiteren Schritt Steuerungsbefehle für die einzelnen Netzknoten ermittelt.
Bekannte Verfahren weisen verschiedene Nachteile auf. Zum einen ist der benötigte Rechenaufwand für die Zustandsschätzung und anschließende Lastflussparameterberechnung hoch, sodass eine Implementierung in einem Netzknoten am Rande des Netzes, der eine Steuereinheit mit beschränkter Speicher- und/oder Rechenkapazität aufweist, nicht zu realisieren ist. Des Weiteren benötigt eine Zustandsschätzung eine minimale Anzahl an Messungen, um eine zuverlässige Schätzgüte zu generieren. Gibt es nicht hinreichend Messungen im Netz, muss ein drittes Verfahren, üblicherweise eine sog. Pseudo-Wertberechnung (oder kurz PW) zur synthetischen Messwertschätzung implementiert werden, die die Güte bzw. Genauigkeit der Steuerbefehle weiter senkt. Ferner produziert jedes der drei Verfahren (Pseudo-Wertberechnung PW + Zustandsschätzung SE + Lastflussparameterberechnung OPF) Schätzfehler. Insbesondere die Qualität der Zustandsschätzung wird bei geringer Messwertdichte sowie unpassender Messwertaufnahme im Netz zunehmend schlechter. Bekannte Verfahren zur Lastflussoptimierung sind bei kritischen Netzzuständen, entweder ungenau (z. B. bei starken Spannungsbandeinbrüchen oder Betriebsmittelüberlastungen am Rande des Netzes), unperformant oder liefern aufgrund von Konvergenzproblemen keine Ergebnisse. Durch die Kopplung der drei Verfahren kann es zu kaum abschätzbaren Fehlerfortpflanzungen kommen. Zuletzt sind die optimalen Lastflussparameter in eine funktionierende Regelung, also insbesondere einer Abfolge von Steuerbefehlen, zu überführen, was einen weiteren komplexen Schritt in der klassischen Regelung bei unvollständiger Messwertdurchsetzung darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes für ein Netzübergabemodul zum Einsatz in einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, bereitzustellen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Netzübergabemodul für eine Netzstation bereitzustellen, welches eine verbesserte und effizientere Steuerung mit nur wenigen Messpunkten ermöglicht. Vorzugsweise ist es Aufgabe der Erfindung, ein intelligentes Netzübergabemodul für eine Netzstation bereitzustellen, welches eine verbesserte Steuerung von Netzknoten mit wenig Rechenaufwand schnell und zuverlässig ermöglicht. Bevorzugt ist es Aufgabe der Erfindung, ein modular ausgeführtes, einzeln handhabbares Modul zu schaffen, welches flexibel an unterschiedlichen Netzstationen im Bereich einer Niederspannung und/oder im Bereich einer Mittelspannung eingesetzt werden kann, um eine verbesserte Steuerung von Netzknoten mit nur wenigen Messpunkten zu ermöglichen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, mit einem entsprechenden Netzübergabemodul zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, mit einem entsprechenden Netzübergabemodul zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch: ein Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes für ein Netzübergabemodul zum Einsatz in einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Ferner betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Netzübergabemodul, eine korrespondierende Netzstation und ein korrespondierendes Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt ein Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes für ein Netzübergabemodul zum Einsatz in einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, bereit.
Die Netzstation kann verschiedene Netzknoten, umfassend unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, in einem Netzabschnitt (kann ebenfalls als ein Stromnetzabschnitt bezeichnet werden) verbinden.
Das Netzübergabemodul kann eine Kommunikationseinheit zum Erhalten von Betriebsparametern von den verschiedenen Netzknoten, eine Speichereinheit, in welcher ein, insbesondere offline, vorzugsweise mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen, trainiertes künstliches neuronales Netz, hinterlegt ist, und eine Recheneinheit aufweisen, welche dazu ausgeführt ist, die Betriebsparameter mithilfe des künstlichen neuronalen Netzes zu verarbeiten und um Steuerbefehle, umfassend bspw. optimale Steuerparameter und/oder Stellgrößen, für die verschiedenen Netzknoten bereitzustellen.
Die Betriebsparameter können eine Leistung, insbesondere eine Wirkleistung und/oder eine Blindleistung, einen Strom, eine Spannung und/oder einen Phasenwinkel an elektrischen Leitungen aufweisen, die die verschiedenen Netzknoten verbinden.
Die Steuerparameter können eine Leistung, insbesondere eine Wirkleistung und/oder eine Blindleistung, einen Strom, eine Spannung und/oder einen Phasenwinkel an korrespondierenden Leitungen aufweisen.
Die Stellgrößen können Schalterstellungen und/oder Leistungsstufen aufweisen.
Gemäß dem Verfahren wird das künstliche neuronale Netz mithilfe von synthetischen Trainingsdaten trainiert, die dazu dienen, mögliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes abzubilden und (optimale) Steuerbefehle in dem Netzabschnitt zu bestimmen, wobei nur ausgewählte Teile der synthetischen Trainingsdaten zum Training des künstlichen neuronalen Netzes verwendet werden, um mit den (optimalen) Steuerbefehlen, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung im Netzabschnitt, direkt kritische Netzzustände, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, zu vermeiden.
Somit kann ein Verfahren zur automatischen Generierung und Übertragung von Steuerbefehlen für steuerbare Marktteilnehmer bzw. Netzknoten eines Netzabschnittes auf Basis einer eingeschränkten (und geringen) Anzahl von verfügbaren Messwerten bereitgestellt werden.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um einen bestimmten Betriebsplan innerhalb des Netzabschnittes einzuhalten.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um einen autonomen Netzbetrieb des Netzabschnittes zu ermöglichen. Für diesen Zweck kann an den Übergabestellen ein Stromfluss von 0 anvisiert werden.
Vorzugsweise kann das Verfahren dazu dienen, die Steuerung derart zu gestalten, dass es zu keinen Engpässen, keinen Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere zu keinem Überstrom, zu keiner Überspannung und/oder zu keiner Unterspannung im Netz kommt. Vorteilhafterweise können mithilfe des Verfahrens solche Engpässe dynamisch identifiziert und behoben werden, sodass ein zuverlässiger Netzbetrieb gewährleistet werden kann.
Insbesondere kann das Verfahren ermöglichen, dass eine Koordination von Steuerbefehlen für einen engpassfreien Betrieb individueller Netzabschnitte bzw. Stromnetze durchgeführt werden kann.
Das vorgeschlagene Netzübergabemodul kann an verschiedenen Orten des Stromnetzes implementiert werden, z. B. in Ortsnetzstationen bzw. Kabelverteilerschränken (für die Steuerung von Niederspannungsnetzen) oder Umspannwerken (für die Steuerung von Mittelspannungsnetzen).
Das Verfahren ermöglicht ein adaptives Erlernen verschiedener Netzgebiete, sowie die Anpassung an sich ändernde Versorgungsaufgaben, insbesondere durch Erweiterung des synthetisch generierten Datensatzes.
Das Verfahren ermöglicht eine verbesserte Koordination von Steuerbefehlen trotz unvollständiger Informationen über die Betriebsparameter an verschiedenen Netzknoten und/oder an unterschiedlichen (Verbindungs-)Leitungen, d. h. trotz unvollständiger Zustandsdaten im Netzabschnitt.
Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass in Nieder- und Mittelspannungsnetzen keine vollständige und/oder ausreichende messtechnische Erfassung des Netzzustands erfolgen kann, umfassend z. B. Leistung, Strom, Spannung an jeder technischen Einheit im Netz. Das Verfahren ermöglicht eine vorteilhafte Anwendung und Steuerung bzw. Regelung im Echtzeit-Netzbetrieb. Das Verfahren kann insbesondere bei minimaler messtechnischer Erfassung eingesetzt werden, wobei die Qualität des Verfahrens transparent über gängige Validierungsverfahren getestet werden kann.
Dieses Verfahren kann somit im aktiven Netzbetrieb eingesetzt werden, um netzdienliche Steuerbefehle an die (an das Netz angeschlossene) Netzknoten zu senden. Die Steuerbefehle werden unter unvollständigen Messinformationen aus dem Netzabschnitt durch das speziell dazu trainierte künstliche neuronale Netz bestimmt und mittels der Recheneinheit und Kommunikationseinheit an die Netzknoten übermittelt.
Das Netzübergabemodul kann als „Grid Cube“ bezeichnet werden. Vorteilhafterweise kann ein Netzübergabemodul im Allgemeinen als ein Übertragungsgerät ohne besondere Anforderungen an Rechenleistung bzw. Speichervermögen umgesetzt werden, da nur das trainierte künstliche neuronale Netz dort gespeichert und ausgewertet werden muss. Das Netzübergabemodul kann standardmäßig ausgeführt und in verschiedenen Netzstationen verbaut werden, um dort die gewünschte Steuerung und/oder Regelung zu implementieren.
Im Training kann eine Inferenz der Parameter des (künstlichen) neuronalen Netzes durchgeführt werden. Letztere können dem (künstlichen) neuronalen Netz zugeführt werden, wonach durch (vorwärts-) Auswertung des neuronalen Netzes unter Eingabe der reduzierten Eingangsdaten (Betriebsparametern) optimale Steuerbefehle (Steuerparameter und/oder Stellgrößen) generiert werden. Dabei können die Steuerbefehle innerhalb einer Regelung bzw. zum Regeln verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann diese (vorwärts-) Auswertung um Größenordnungen schneller ausgeführt sein als Optimierungsverfahren, die für die Verfahren (Pseudo-Wertberechnung PW, Zustandsschätzung SE und/oder Lastflussparameterberechnung OPF sowie anschließende Regelung) benötigt werden. Mittels der Ergebnisse der Auswertung können anschließend Steuerbefehle für die steuerbaren Einheiten im Netz abgeleitet und an die Kommunikationseinheit übergeben werden, bevor die nächsten Messdaten aus dem Netz wieder dem trainierten Modell zur Auswertung übergeben werden.
Für eine geregelte Abfolge der Messdatenerfassung und Steuerbefehlsübermittlung kann im Training eine Parametrierung der zu berücksichtigenden Latenzen durchgeführt werden. Die Parametrierung kann bspw. so erfolgen, dass es ermöglicht wird, den Regelkreis durch inkrementelle Steuerbefehle einzuschwingen.
Diese „vorsichtige“ und „vorausschauende“ Steuerung bzw. Regelung kann vom Netzübergabemodul im Training explizit gelernt werden.
Als Steuerparameter können sowohl Wirkleistungen als auch Blindleistungen verwendet werden. Diese können innerhalb eines kontinuierlichen Wertebereichs übermittelt werden. Weiterhin kommen als Stellgrößen Schaltsignale in Betracht, welche eine diskrete Schalthandlung im Netz abbilden können.
Das Training bzw. der Lernprozess kann unter Zuhilfenahme einer Umgebung erfolgen, in der der zu steuernde Netzabschnitt simuliert wird und somit vollständige synthetische Messdaten vorliegen. Das Lernverfahren erfolgt nur unter Bereitstellung von einem ausgewählten Teil an synthetischen Zeitreihen für ausgewählte Knoten. So wird explizit ein Lernprozess mit unvollständiger Simulation erzeugt.
Der ausgewählte Teil der Netzknoten kann an die im Netz real beobachtbaren messbaren Knoten angepasst werden, um so die Realität möglichst genau abzubilden. Durch ein solches Training kann das Verfahren implizit Engpässe, wie bspw. Spannungsbandverletzungen und Betriebsmittelüberlastungen, erkennen und explizit lösen.
Insbesondere kann das Training auf die Steuerung unter unvollständigen Information vorbereitet werden.
Im Anschluss an den Lernprozess wird ein trainiertes künstliches neuronales Netz bereitgestellt, welches für die Echtzeitanwendung und/oder im echten Netzbetrieb eingesetzt werden kann.
Das künstliche neuronale Netz kann vorteilhafterweise mithilfe eines nicht-überwachten Verfahrens trainiert werden (eng. „reinforcement learning“, auf Deutsch bestärkendes Lernen oder verstärkendes Lernen).
Vorteilhafterweise können für das Training synthetische Trainingsdaten verwendet werden, bei welchen seltene kritische Netzzustände explizit synthetisch bzw. simulativ erstellt und berücksichtigt werden können. Zum anderen können individuelle Eigenschaften eines realen Netzabschnittes, wie z. B. eine Art und eine Anzahl an Messpunkten, vorhandene Topologien (Photovoltaik, Windenergie, E-Mobility, usw.), Spannungsebene, Betriebsmittel, usw. berücksichtigt werden, um eine hohe Güte der Modellentscheidung zu erreichen. Zuletzt können vorteilhafterweise zukünftige Szenarien in synthetische Trainingsdaten überführt werden und somit zukünftige Herausforderungen gelernt werden.
Ein weiterer Vorteil des nicht-überwachten Lernens kann darin liegen, eine selbstständige Erkennung ungültiger Zustände zu ermöglichen, was im Falle einer dezentralen Steuerung bzw. Regelung und Echtzeitanwendung einen erheblichen Vorteil gegenüber überwachten Lernmethoden darstellen kann.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass das künstliche neuronale Netz mithilfe von synthetischen Trainingsdaten trainiert wird, die topologische Zustandsdaten im Betrieb des Netzabschnittes abbilden. Auf diese Weise kann ein Modell eines Netzabschnittes verwendet werden, um eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung bereitzustellen, die vorzugsweise individuelle Eigenschaften eines realen Netzabschnittes auf eine verbesserte Weise berücksichtigt.
Wie oben bereits erwähnt, kann das künstliche neuronale Netz mithilfe von synthetischen Trainingsdaten trainiert werden, die unterschiedliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes abbilden. Auf diese Weise kann die Vielfalt von Trainingsdaten erweitert werden. Die Trainingsdaten können somit vorzugsweise mit ungewöhnlichen Daten ergänzt werden, die bspw. in solchen seltenen Fällen, insbesondere am Rande des Netzes oder in bestimmten extremen Wetterlagen, auftreten können, die zu kritischen Netzzuständen führen können, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung. Auf diese Weise kann das künstliche neuronale Netz nicht nur auf Normalbetrieb trainiert werden, sondern auch auf Fälle, die zwar selten vorkommen, aber im Hinblick auf die Betriebssicherheit besonders kritisch sind.
Zudem ist es denkbar, dass die synthetischen Trainingsdaten mithilfe von Standardlastprofilen und/oder historischen Reallastprofilen des Netzabschnittes erstellt werden, die mithilfe von Zeitreihen und/oder stochastischen Verfahren vervielfacht werden, um insbesondere zeitlich korrelierte und/oder unkorrelierte Zustandsdaten zu erstellen. Auf diese Weise können erweiterte Trainingsdaten bereitgestellt werden.
Außerdem ist es denkbar, dass die synthetischen Trainingsdaten mithilfe eines einstellbaren Parameterdatensatzes erstellt werden, der bestimmte Umgebungsparameter, Wetter, Jahreszeit, Uhrzeit, usw. berücksichtigen kann, und/oder der bestimmte Topologien im Netzabschnitt berücksichtigen kann, insbesondere umfassend Photovoltaik, Windenergie, E-Mobility, usw. Auf diese Weise können individuelle Eigenschaften eines realen Netzabschnittes auf eine verbesserte Weise berücksichtigt werden.
Vorteilhafterweise können nur (d. h. begrenzte) bestimmte Teile der synthetischen Trainingsdaten ausgewählt werden, um das künstliche neuronale Netz zu trainieren, mit unvollständigen Zustandsdaten umgehen zu können und dennoch bestimmte (optimale) Steuerbefehle zu erreichen, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung im Netzabschnitt vorzunehmen. Auf diese Weise kann das künstliche neuronale Netz im Voraus auf Netzwerkausgestaltungen vorbereitet werden, die nicht viele Messpunkte aufweisen.
Insbesondere ist es denkbar, dass nur ein Teil in Höhe von 1% bis 20%, bspw. nur 10%, der synthetischen Trainingsdaten verwendet wird, um das künstliche neuronale Netz zu trainieren, mit unvollständigen Daten umgehen zu können und dennoch bestimmte (optimale) Steuerbefehle zu erreichen. Auf diese Weise kann die vorgeschlagene Lösung sogar in Niederspannungsnetzen verwendet werden, die wenige Messpunkte aufweisen.
Vorzugsweise können den synthetischen Trainingsdaten seltene kritische Netzzustände gezielt aufgeprägt werden, um das künstliche neuronale Netz zu trainieren, mit kritischen Netzzuständen, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, umzugehen. Solche Trainingsdaten können nicht aus den normalen Betriebsdaten abgeleitet werden, da auf diese Weise die Betriebssicherheit einzelner Netzknoten nicht eingehalten werden kann, bspw. durch Engpässe oder Netzüberlastungen, die zumeist sehr selten vorkommen. Solche Trainingsdaten können auf eine vorteilhafte Weise simuliert werden, um solche gefährlichen Betriebszustände zu erlernen und zuverlässig zu vermeiden.
Wie oben bereits erwähnt, können bei der Auswahl der synthetischen Trainingsdaten, die dem künstlichen neuronalen Netz zum Training angeboten werden, vorhandene Messpunkte, Topologien (welche Arten an Verbrauchern und/oder Energieerzeugern vorhanden sind), Spannungsebenen (die typischerweise an bestimmten Netzknoten auftreten können) und/oder Betriebsmittel (Solaranlagen, Windkraftanlagen, Ladestationen für E-Mobilität usw.) im Netzabschnitt berücksichtigt werden. Auf diese Weise können typische und untypische Fälle im Betrieb von echten Netzabschnitten auf eine vorteilhafte Weise mit gezielt ausgewählten Trainingsdaten abgebildet werden.
Einfachheitshalber kann vorgesehen sein, dass bei der Auswahl der synthetischen Trainingsdaten, die dem künstlichen neuronalen Netz zum Training angeboten werden, die Zustandsdaten ausgewählt werden, die bestimmte Unterabschnitte des Netzabschnittes betreffen. Somit können bestimmte Unterabschnitte berücksichtigt werden, die typischerweise Messpunkte für Betriebsparameter umfassen können.
Nach einem besonderen Vorteil kann beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes eine Parametrierung von Latenzen durchgeführt werden, um eine geregelte Abfolge der Messdatenerfassung und Steuerbefehlsübermittlung zu ermöglichen. Mit anderen Worten können die Zeitabstände zwischen Messdatenerfassung gemäß den Trainingsdaten und Steuerbefehlsübermittlung aufeinander abgestimmt werden. Auf diese Weise kann nicht nur eine Steuerung, sondern eine inkrementelle Steuerung bzw. Regelung ermöglicht werden, die sich schrittweise und/oder kontrolliert an (optimale) Steuerbefehle annähert. Insbesondere bedarf es in der Auswertung im Betrieb keines eigenen Steueralgorithmus bzw. -schemas. Die optimale Steuerung wird im Trainingsprozess gelernt und wird im Betrieb implizit durch die direkte Bestimmung der Steuerbefehle berücksichtigt.
Vorzugsweise können beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes dem künstlichen neuronalen Netz mehrmals die gleichen ausgewählten Teile der synthetischen Trainingsdaten angeboten werden, wobei nur die Effekte der Steuerung Berücksichtigung in den Eingangsdaten erfahren. Damit wird eine zurückhaltende, rückgekoppelte und/oder feedbackbasierte Steuerbefehlserzeugung ermöglicht, und vorzugsweise eine schrittweise und/oder kontrollierte Annäherung an die bestimmten optimalen Regelgrößen ermöglicht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein Regelkreis durch das Training ermöglicht wird, der eine inkrementelle Steuerung bzw. Regelung im realen Betrieb des Netzabschnittes ermöglicht.
Ferner kann vorgesehen werden, dass beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes eine Zielfunktion verwendet wird, die Nutzen und Kosten berücksichtigt. Die Nutzen können bspw. ein Vermeiden von kritischen Netzzuständen, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, beinhalten. Die Kosten können vorteilhafterweise von einer Blindleistung und einer Wirkleistung im Betrieb des Netzabschnittes abhängen, um nicht nur die erforderliche Leistung für die Netzknoten zu optimieren, sondern auch eine Leistung, die tatsächlich bereitgestellt, aber möglicherweise nicht genutzt wird.
Die Zielfunktion kann bspw. als eine Bewertungsfunktion (bspw. für einen Echtbetrieb) und/oder eine Optimierungsfunktion (bspw. für ein selbstüberwachtes bzw. bestärkendes Lernen oder verstärkendes Lernen) verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann das künstliche neuronale Netz offline der Netzstation trainiert werden. Auf diese Weise kann der Rechen- und/oder Speicheraufwand auf der Seite der Netzstation reduziert werden.
Des Weiteren kann es von Vorteil sein, dass das künstliche neuronale Netz durch ein selbstlernendes künstliches neuronales Netz bereitgestellt wird, und/oder dass das künstliche neuronale Netz mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen trainiert wird.
Weiterhin kann vorgesehen werden, dass im Betrieb der Netzstation Betriebsdaten gesammelt werden, die den synthetischen Trainingsdaten (bspw. für ein nachfolgendes Update bzw. Nachtrainieren) hinzugefügt werden können. Auf diese Weise können reale Betriebsdaten gesammelt werden, um die Entscheidungen des künstlichen neuronalen Netzes zu überprüfen, um auf veränderliche Umstände im Netz reagieren zu können.
Des Weiteren kann vorgesehen werden, dass das künstliche neuronale Netz regelmäßig, bspw. bei Änderungen im Netzabschnitt, periodisch, bspw. wöchentlich, monatlich und/oder halbjährlich, trainiert wird, um ein Update zu erhalten. Die Stellparameter dieses Updates können in der Folge an die Recheneinheit des Netzübergabemoduls übertragen werden, wodurch das trainierte Update dem Betrieb zugeführt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das künstliche neuronale Netz stets an reale Umstände im Netz vorbereitet ist.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch: ein Netzübergabemodul für eine Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, wobei die Netzstation verschiedene Netzknoten, umfassend unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, in einem Netzabschnitt verbindet, wobei das Netzübergabemodul folgende Komponenten aufweist:

- eine Kommunikationseinheit zum Erhalten von Betriebsparametern von den verschiedenen Netzknoten,
- eine Speichereinheit, in welcher ein, insbesondere offline, vorzugsweise mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen, trainiertes künstliches neuronales Netz hinterlegt ist,
- eine Recheneinheit, welche dazu ausgeführt ist, die Betriebsparameter mithilfe des künstlichen neuronalen Netzes zu verarbeiten, um Steuerbefehle, umfassend bspw. optimale Steuerparameter und/oder Stellgrößen, für die verschiedenen Netzknoten bereitzustellen,

Vorteilhafterweise wurde das künstliche neuronale Netz mithilfe von synthetischen Trainingsdaten trainiert, die dazu dienen, mögliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes abzubilden und (optimale) Steuerbefehle in dem Netzabschnitt zu bestimmen, wobei nur ausgewählte Teile der synthetischen Trainingsdaten zum Training des künstlichen neuronalen Netzes verwendet wurden, um die (optimalen) Steuerbefehle insbesondere trotz unvollständiger Zustandsdaten, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung im Netzabschnitt, zu berechnen und somit kritische Netzzustände, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, zu vermeiden.
Mithilfe des Netzübergabemoduls können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem Trainingsverfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Um eine einfache Montage und eine flexible Einsatzfähigkeit des Netzübergabemoduls zu ermöglichen, kann das Netzübergabemodul als ein einzeln handhabbares Modul ausgebildet sein, welches dazu ausgebildet sein kann, bspw. mithilfe von speziellen form- und/oder kraftschlüssigen Befestigungsmitteln und bestimmter elektrischer Anschlüsse an einer Netzstation befestigt zu werden und eine Steuereinheit für die Netzstation bereitzustellen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch: eine Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, aufweisend ein Netzübergabemodul, welches wie oben beschrieben ausgebildet sein kann.
Mithilfe der Netzstation können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem Trainingsverfahren und/oder mit dem Netzübergabemodul beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch: ein Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, wobei die Netzstation über elektrische Leitungen verschiedene Netzknoten, vorzugsweise unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, verbindet, wobei zum Betreiben der Netzstation ein Netzübergabemodul verwendet wird, welches wie oben beschrieben ausgebildet sein kann, um optimale Steuerbefehle für die verschiedenen Netzknoten mithilfe eines trainierten künstlichen neuronalen Netzes bereitzustellen.
Mithilfe des Betriebsverfahrens können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem Trainingsverfahren und/oder mit dem Netzübergabemodul beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Vorteilhafterweise können im Betrieb der Netzstation Betriebsdaten gesammelt werden, die den synthetischen Trainingsdaten hinzugefügt werden können. Auf diese Weise kann die Möglichkeit geschaffen werden, die Entscheidungen des künstlichen neuronalen Netzes zu überprüfen.
Vorzugsweise kann das künstliche neuronale Netz regelmäßig, bspw. bei Änderungen im Netzabschnitt, periodisch, bspw. wöchentlich, monatlich und/oder halbjährlich, neu trainiert werden. Dafür kann das neuronale Netz periodisch neue Stellparameter erhalten, die sich aus einer neuen Inferenz des Trainingsprozesses ergeben. So kann beispielsweise eine bestimmte Jahreszeit explizit berücksichtigt werden.
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1 eine beispielhafte Darstellung eines bekannten Verfahrens,
2 eine beispielhafte Problematik bei dem bekannten Verfahren, und
3 eine schematische Darstellung einer Erfindungsidee.

Die 1 und 2 dienen zum Erklären einer der Erfindung zugrunde liegenden Problematik. Die 1 und 2 deuten an, dass zur Steuerung von Netzabschnitten A Zustandsdaten in Form von Betriebsparametern BP benötigt werden. Die Betriebsparameter BP können insbesondere in Niederspannungsnetzen und/oder in Mittelspannungsnetzen nicht an allen Netzknoten Ni und/oder nicht an allen Leitungen L vermessen werden. Da die Betriebsparameter BP nicht vollständig vermessen werden können, sehen bekannte Verfahren eine Zustandsschätzung SE (eng. „state estimation“) vor, um die vorhandenen Zustandsdaten im Netzabschnitt A zu vervollständigen. In Kenntnis von vervollständigten, zum Teil geschätzten, Zustandsdaten können optimale Lastflussparameter mithilfe einer Lastflussparameterberechnung OPF (eng. „optimal power flow“) berechnet werden, um anschließend Steuerungsbefehle SB für die einzelnen Netzknoten Ni zu ermitteln.
Die Erfindung erkennt, dass die Zustandsschätzung SE und anschließende Lastflussparameterberechnung OPF einen hohen Rechenaufwand nach sich ziehen. Zudem benötigt eine Zustandsschätzung SE eine minimale Anzahl an Messungen, um eine zuverlässige Schätzgüte zu generieren. Gibt es jedoch nicht hinreichend Messungen im Netz, muss noch ein drittes Verfahren, üblicherweise eine sog. Pseudo-Wertberechnung (oder kurz PW) zur synthetischen Messwertschätzung implementiert werden, die die Güte bzw. Genauigkeit der Steuerbefehle weiter senkt.
Die Erfindung erkennt ferner insbesondere, dass die Verfahren (Pseudo-Wertberechnung PW, Zustandsschätzung SE und/oder Lastflussparameterberechnung OPF) Schätzfehler aufweisen und oft eine nicht hinreichende Qualität der Zustandsschätzung bereitstellen können.
Wie es die 3 verdeutlicht, wird ein Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes KNN für ein Netzübergabemodul 10 zum Einsatz in einer Netzstation 100, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, sowie ein zugehöriges Netzübergabemodul 10 vorgeschlagen.
Wie es die 3 andeutet, kann die Netzstation 100 verschiedene Netzknoten Ni, umfassend unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, in einem Netzabschnitt A verbinden.
Der Netzabschnitt A kann ebenfalls als ein Stromnetzabschnitt bezeichnet werden.
Wie es die 3 oben rechts andeutet, kann das Netzübergabemodul 10 eine Kommunikationseinheit 11 zum Erhalten von Betriebsparametern BP von den verschiedenen Netzknoten Ni, eine Speichereinheit 12, in welcher ein, insbesondere offline, vorzugsweise mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen, trainiertes künstliches neuronales Netz KNN hinterlegt ist, und eine Recheneinheit 13 aufweisen, welche dazu ausgeführt ist, die Betriebsparameter BP mithilfe des künstlichen neuronalen Netzes KNN zu verarbeiten und um Steuerbefehle, umfassend bspw. optimale Steuerparameter und/oder Stellgrößen, für die verschiedenen Netzknoten Ni bereitzustellen.
Die Betriebsparameter BP können eine Leistung, insbesondere eine Wirkleistung und/oder eine Blindleistung, einen Strom, eine Spannung und/oder einen Phasenwinkel an elektrischen Leitungen L aufweisen, die die verschiedenen Netzknoten Ni verbinden.
Die Steuerparameter können eine Leistung, insbesondere eine Wirkleistung und/oder eine Blindleistung, einen Strom, eine Spannung und/oder einen Phasenwinkel an korrespondierenden Leitungen L aufweisen.
Die Stellgrößen können Schalterstellungen und/oder Leistungsstufen aufweisen.
Gemäß dem Verfahren wird das künstliche neuronale Netz KNN mithilfe von synthetischen Trainingsdaten SD trainiert, die dazu dienen, mögliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes A abzubilden und (optimale) Steuerbefehle SB in dem Netzabschnitt A zu bestimmen, wobei nur ausgewählte Teile der synthetischen Trainingsdaten SD zum Training des künstlichen neuronalen Netzes KNN verwendet werden, um die (optimalen) Steuerbefehle SB, insbesondere trotz unvollständiger Zustandsdaten, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung SE im Netzabschnitt A, nachzubilden und somit kritische Netzzustände, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, zu vermeiden.
Wie es die 3 verdeutlicht, kann das Verfahren zur automatischen Generierung und Übertragung von Steuerbefehlen SB für steuerbare Netzknoten Ni im Netzabschnitt A dienen.
Das Training kann vorteilhafterweise auf Basis einer eingeschränkten (und geringen) Anzahl von verfügbaren Messwerten dargestellt, bspw. von ungefähr 1% bis 20% oder nur 10% an benötigten Zustandsdaten bzw. Betriebsparametern BP.
Das Verfahren kann dazu genutzt werden, um einen bestimmten Betriebsplan innerhalb des Netzabschnittes einzuhalten.
Das Verfahren kann dazu genutzt werden, um einen autonomen Netzbetrieb des Netzabschnittes zu ermöglichen, um bspw. an den Übergabestellen einen Stromfluss von 0 zu erreichen.
Vorzugsweise kann das Verfahren dazu dienen, die Steuerung des Netzabschnitts A derart zu gestalten, dass es zu keinen Engpässen, keinen Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere zu keinem Überstrom, zu keiner Überspannung und/oder zu keiner Unterspannung im Netzabschnitt A kommt. Insbesondere können mithilfe des Verfahrens Engpässe dynamisch identifiziert und behoben werden, sodass ein zuverlässiger Netzbetrieb gewährleistet werden kann. Vorteilhafterweise kann das Verfahren ermöglichen, dass eine Koordination von Steuerbefehlen für einen engpassfreien Betrieb individueller Netzabschnitte bzw. Stromnetze durchgeführt werden kann.
Das vorgeschlagene Netzübergabemodul 10 kann an verschiedenen Orten eines Stromnetzes implementiert werden, z. B. in Ortsnetzstationen bzw. Kabelverteilerschränken (für die Steuerung von Niederspannungsnetzen) oder Umspannwerken (für die Steuerung von Mittelspannungsnetzen).
Somit kann ein adaptives Erlernen verschiedener Netzgebiete sowie eine Anpassung an sich ändernde Versorgungsaufgaben ermöglicht werden.
Zudem kann eine verbesserte Koordination von Steuerbefehlen SB trotz unvollständiger Zustandsinformation bzw. Betriebsparametern BP ermöglicht werden.
Das Verfahren berücksichtigt, dass in Nieder- und Mittelspannungsnetzen keine vollständige und/oder ausreichende messtechnische Erfassung aller Zustandsdaten bzw. Betriebsparametern BP erfolgen kann, umfassend z. B. Leistung, Strom, Spannung an jeder technischen Einheit und/oder Leitung im Netz.
Dieses Verfahren kann im aktiven Echtzeit-Netzbetrieb verwendet werden, um optimale Steuerbefehle SB an die Netzknoten Ni bereitzustellen. Die Steuerbefehle SB werden trotz unvollständiger Messinformationen in dem Netzabschnitt A durch das speziell dazu trainierte künstliche neuronale Netz KNN bestimmt und mittels der Recheneinheit 13 und Kommunikationseinheit 11 an die Netzknoten Ni übermittelt.
Das Netzübergabemodul 10 kann als „Grid Cube“ bezeichnet werden und ohne besondere Anforderungen an Rechenleistung bzw. Speichervermögen umgesetzt werden, da nur das trainierte künstliche neuronale Netz KNN dort gespeichert und ausgewertet werden muss. Das Netzübergabemodul 10 kann standardmäßig ausgeführt und in verschiedenen Netzstationen 100 verbaut werden, um dort die gewünschte Steuerung und/oder Regelung zu implementieren.
Im Training kann das künstliche neuronale Netz KNN eine Inferenz durchführen, um aus reduzierten Eingangsdaten (Betriebsparametern BP) optimale Regelbefehle bzw. Steuerbefehle SB (Steuerparameter und/oder Stellgrößen) zu generieren.
Vorteilhafterweise kann die Auswertung des vortrainierten (künstlichen) neuronalen Netzes um Größenordnungen schneller ausgeführt sein als Optimierungsverfahren, die für die Verfahren (Pseudo-Wertberechnung PW, Zustandsschätzung SE und/oder Lastflussparameterberechnung OPF) benötigt werden.
Mittels der Auswertung im künstlichen neuronalen Netz KNN können anschließend Steuerbefehle SB für die Netzknoten Ni abgeleitet und an die Kommunikationseinheit 11 übergeben werden, bevor die nächsten Messdaten aus dem Netzabschnitt A wieder dem trainierten künstlichen neuronalen Netz KNN zur Auswertung übergeben werden.
Für eine geregelte Abfolge der Messdatenerfassung und Steuerbefehlsübermittlung kann beim Training eine Parametrierung der zu berücksichtigenden Latenzen durchgeführt werden. Die Parametrierung kann bspw. so erfolgen, dass es ermöglicht wird, den Regelkreis durch inkrementelle Steuerbefehle einzuschwingen.
Eine solche „vorsichtige“ und „vorausschauende“ Steuerung bzw. Regelung kann vom Netzübergabemodul 10 im Training explizit erlernt werden, wobei vorzugsweise die Optimierungsergebnisse erst in eine geeignete Regelung überführt werden.
Das Training bzw. der Lernprozess kann unter Zuhilfenahme einer realen Umgebung erfolgen, in der der zu steuernde Netzabschnitt A simuliert wird.
Das Training kann nur einen ausgewählten Teil der zur Verfügung stehenden synthetischen Trainingsdaten SD dem künstlichen neuronalen Netz KNN zum Lernen anbieten, um das künstliche neuronale Netz KNN an die im Netzabschnitt A real beobachtbaren (reduzierten) Messwerte vorzubereiten.
Durch ein solches Training kann das Verfahren implizit Engpässe, wie bspw. Spannungsbandverletzungen und Betriebsmittelüberlastungen, erkennen und durch geeignete Steuerbefehle SB lösen.
Im Anschluss an das Training kann ein trainiertes künstliches neuronales Netz KNN bereitgestellt werden, welches für die Echtzeitanwendung und/oder im echten Netzbetrieb eingesetzt werden kann.
Das künstliche neuronale Netz KNN kann vorteilhafterweise mithilfe eines nicht-überwachten Verfahrens trainiert werden (eng. „reinforcement learning“, auf Deutsch bestärkendes Lernen oder verstärkendes Lernen). Ein Vorteil des nicht-überwachten Lernens liegt darin, eine selbstständige Erkennung ungültiger Zustände zu ermöglichen, was im Falle einer dezentralen Steuerung bzw. Regelung und Echtzeitanwendung einen erheblichen Vorteil gegenüber überwachten Lernmethoden darstellen kann.
Vorteilhafterweise kann das künstliche neuronale Netz KNN offline der Netzstation 100 trainiert werden, um den Rechen- und/oder Speicheraufwand auf der Seite der Netzstation 100 zu reduzieren.
Vorteilhafterweise können für das Training synthetische Trainingsdaten SD verwendet werden, bei welchen seltene kritische Netzzustände explizit synthetisch bzw. simulativ erstellt und berücksichtigt werden können.
Zum anderen können bei der Auswahl an synthetischen Trainingsdaten SD, die zum Training verwendet werden, individuelle Eigenschaften eines realen Netzabschnittes A, wie z. B. eine Art und eine Anzahl an Messpunkten, vorhandene Topologien (Photovoltaik, Windenergie, E-Mobility, usw.), Spannungsebene, Betriebsmittel, usw. berücksichtigt werden, um eine hohe Güte der Modellentscheidung zu erreichen.
Wie es die 3 andeutet, ist es denkbar, dass das künstliche neuronale Netz KNN mithilfe von synthetischen Trainingsdaten SD trainiert wird, die topologische Zustandsdaten im Betrieb des Netzabschnittes A abbilden.
Die synthetischen Trainingsdaten SD können grundsätzlich unterschiedliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes A abbilden.
Die Trainingsdaten SD können somit vorzugsweise mit ungewöhnlichen Daten ergänzt werden, die am Rande des Netzabschnittes A auftreten können und die zu kritischen Netzzuständen führen können, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung.
Vorteilhafterweise kann das künstliche neuronale Netz KNN nicht nur auf Normalbetrieb trainiert werden, sondern auch auf Fälle, die zwar selten vorkommen, aber im Hinblick auf die Betriebssicherheit kritisch sind.
Zum einen ist es denkbar, dass die synthetischen Trainingsdaten SD mithilfe von Standardlastprofilen und/oder historischen Reallastprofilen des Netzabschnittes A erstellt werden, die mithilfe von Zeitreihen und/oder stochastischen Verfahren vervielfacht werden, um insbesondere zeitlich korrelierte und/oder unkorrelierte Zustandsdaten zu erstellen. Zum anderen ist es denkbar, dass die synthetischen Trainingsdaten SD mithilfe eines einstellbaren Parameterdatensatzes erstellt werden, der bestimmte Umgebungsparameter, Wetter, Jahreszeit, Uhrzeit, usw. berücksichtigen kann, und/oder der bestimmte Topologien im Netzabschnitt A berücksichtigen kann, insbesondere umfassend Photovoltaik, Windenergie, E-Mobility, usw.
Der bestimmte Teil der synthetischen Trainingsdaten SD wird derart ausgewählt, um das künstliche neuronale Netz KNN zu trainieren, mit unvollständigen Zustandsdaten umgehen zu können und dennoch bestimmte (optimale) Steuerbefehle SB zu erreichen, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung SE im Netzabschnitt A vorzunehmen (wie es die 2 andeutet).
Insbesondere kann nur ein Teil in Höhe von 1% bis 20%, bspw. nur 10%, der synthetischen Trainingsdaten SD verwendet werden, um das künstliche neuronale Netz KNN zu trainieren, mit unvollständigen Daten umgehen zu können und dennoch (optimale) Steuerbefehle SB zu erreichen, auch ohne eine Pseudo-Wertberechnung verwenden zu müssen.
Vorzugsweise können den synthetischen Trainingsdaten SD seltene kritische Netzzustände gezielt aufgeprägt werden, um kritische Netzzustände zu simulieren, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, umzugehen.
Wie oben bereits erwähnt, können bei der Auswahl der synthetischen Trainingsdaten SD, die dem künstlichen neuronalen Netz KNN zum Training angeboten werden, vorhandene Messpunkte, Topologien (welche Arten an Verbrauchern und/oder Energieerzeugern vorhanden sind), Spannungsebenen (die typischerweise an bestimmten Netzknoten Ni auftreten könne) und/oder Betriebsmittel (Solaranlagen, Windkraftanlagen, Ladestationen für E-Mobilität usw.) im Netzabschnitt A berücksichtigt werden. Außerdem ist es denkbar, dass bei der Auswahl der synthetischen Trainingsdaten SD, die dem künstlichen neuronalen Netz KNN zum Training angeboten werden, die Zustandsdaten ausgewählt werden, die bestimmte Unterabschnitte des Netzabschnittes A betreffen, wo sich bspw. typischerweise Messpunkte für Betriebsparameter BP befinden können.
Wie oben bereits erwähnt, kann beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes KNN eine Parametrierung von Latenzen durchgeführt werden, um eine geregelte Abfolge der Messdatenerfassung und Steuerbefehlsübermittlung zu ermöglichen. Zudem können beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes KNN dem künstlichen neuronalen Netz KNN mehrmals die gleichen ausgewählten Teile der synthetischen Trainingsdaten SD angeboten werden, die nur um den Effekt der vorangegangenen Regelung ergänzt wird. Dadurch wird eine zurückhaltende, rückgekoppelte und/oder feedbackbasierte Steuerbefehlserzeugung ermöglicht, und vorzugsweise eine schrittweise und/oder kontrollierte Annäherung an die bestimmten (optimalen) Steuerbefehle SB ermöglicht. Somit kann ein verbesserter Regelkreis durch das Training ermöglicht werden, der eine inkrementelle Steuerung bzw. Regelung im realen Betrieb des Netzabschnittes A ermöglicht.
Beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes KNN kann eine Zielfunktion ZF verwendet wird, die Nutzen und Kosten berücksichtigen kann. $ZF = Nutzen - Kosten,$
Die Nutzen können bspw. ein Vermeiden von kritischen Netzzuständen, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, beinhalten.
Die Kosten können vorteilhafterweise von einer Blindleistung und einer Wirkleistung im Betrieb des Netzabschnittes A abhängen, um nicht nur die erforderliche Leistung für die Netzknoten Ni zu optimieren, sondern auch eine Leistung, die tatsächlich bereitgestellt, aber möglicherweise nicht genutzt wird.
Bei den Kosten können Blindleistung und Wirkleistung mit Gewichten berücksichtigt werden: $Kosten = α * Blindleistung + β * Wirkleistung,$ wobei bspw. α << β sein kann.
Die Zielfunktion ZF kann bspw. als eine Bewertungsfunktion (bspw. für einen Echtbetrieb) und/oder eine Optimierungsfunktion (bspw. für ein selbstüberwachtes bzw. bestärkendes Lernen oder verstärkendes Lernen) verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann das künstliche neuronale Netz KNN offline der Netzstation 100 trainiert werden, um den Rechen- und/oder Speicheraufwand auf der Seite der Netzstation 100 zu reduzieren.
Vorteilhafterweise können im Betrieb der Netzstation 100 Betriebsdaten gesammelt werden, die den synthetischen Trainingsdaten SD (bspw. für ein nachfolgendes Update bzw. Nachtrainieren) hinzugefügt werden können.
Des Weiteren kann das künstliche neuronale Netz KNN regelmäßig, bspw. bei Änderungen im Netzabschnitt A, periodisch, bspw. wöchentlich, monatlich und/oder halbjährlich, trainiert werden, um ein Update zu erhalten. Die Stellparameter dieses Updates können in der Folge an die Recheneinheit des Netzübergabemoduls (bzw. des „Grid Cubes“) übertragen werden, wodurch das trainierte Update dem Betrieb zugeführt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das künstliche neuronale Netz stets an reale Umstände im Netz vorbereitet ist.
Ein korrespondierendes Netzübergabemodul 10 für eine Netzstation 100, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar, wobei das Netzübergabemodul 10 folgende Komponenten aufweist:

- eine Kommunikationseinheit 11 zum Erhalten von Betriebsparametern BP von den verschiedenen Netzknoten Ni,
- eine Speichereinheit 12, in welcher ein, insbesondere offline, vorzugsweise mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen, trainiertes künstliches neuronales Netz KNN hinterlegt ist,
- eine Recheneinheit 13, welche dazu ausgeführt ist, die Betriebsparameter BP mithilfe des künstlichen neuronalen Netzes KNN zu verarbeiten, um Steuerbefehle SB, umfassend bspw. optimale Steuerparameter und/oder Stellgrößen, für die verschiedenen Netzknoten Ni bereitzustellen,

Vorteilhafterweise wurde das künstliche neuronale Netz KNN mithilfe von synthetischen Trainingsdaten SD trainiert, die dazu dienen, mögliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes A abzubilden und (optimale) Steuerbefehle SB in dem Netzabschnitt A zu bestimmen, wobei nur ausgewählte Teile der synthetischen Trainingsdaten SD zum Training des künstlichen neuronalen Netzes KNN verwendet wurden, um die (optimalen) Steuerbefehle SB, insbesondere trotz unvollständiger Zustandsdaten, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung SE im Netzabschnitt A, nachzubilden und somit kritische Netzzustände, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, zu vermeiden.
Mithilfe des Netzübergabemoduls 10 können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem Trainingsverfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Um eine einfache Montage und eine flexible Einsatzfähigkeit des Netzübergabemodul 10 zu ermöglichen, kann das Netzübergabemodul 10 als ein einzeln handhabbares Modul ausgebildet sein, welches dazu ausgebildet sein kann, bspw. mithilfe von speziellen form- und/oder kraftschlüssigen Befestigungsmitteln und bestimmter elektrischer Anschlüsse an einer Netzstation 100 befestigt zu werden und eine Steuereinheit für die Netzstation 100 bereitzustellen.
Eine korrespondierende Netzstation 100, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, aufweisend ein entsprechendes Netzübergabemodul 10, welches wie oben beschrieben ausgebildet sein kann, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
Ein korrespondierendes Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation 100, insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, wobei die Netzstation 100 über elektrische Leitungen L verschiedene Netzknoten Ni, vorzugsweise unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, verbindet, wobei zum Betreiben der Netzstation 100 ein Netzübergabemodul 10 verwendet wird, welches wie oben beschrieben ausgebildet sein kann, um optimale Steuerbefehle SB für die verschiedenen Netzknoten Ni mithilfe eines trainierten künstlichen neuronalen Netzes KNN bereitzustellen, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Netzübergabemodul
11: Kommunikationseinheit
12: Speichereinheit
13: Recheneinheit
100: Netzstation
A: Netzabschnitt
Ni: Netzknoten
L: Leitungen
BP: Betriebsparameter
SB: Steuerbefehle
SD: synthetische Trainingsdaten
KNN: künstliches neuronales Netz
OPF: Lastflussberechnung
SE: Zustandsschätzung

Claims

Trainingsverfahren zum Trainieren eines künstlichen neuronalen Netzes (KNN) für ein Netzübergabemodul (10) zum Einsatz in einer Netzstation (100), insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, wobei die Netzstation (100) verschiedene Netzknoten (Ni), umfassend unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, in einem Netzabschnitt (A) verbindet, wobei das Netzübergabemodul (10) eine Kommunikationseinheit (11) zum Erhalten von Betriebsparametern (BP) von den verschiedenen Netzknoten (Ni), eine Speichereinheit (12), in welcher ein, insbesondere offline, vorzugsweise mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen, trainiertes künstliches neuronales Netz (KNN) hinterlegt ist, und eine Recheneinheit (13) aufweist, welche dazu ausgeführt ist, die Betriebsparameter (BP) mithilfe des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) zu verarbeiten und Steuerbefehle (SB) für die verschiedenen Netzknoten (Ni) bereitzustellen, wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) mithilfe von synthetischen Trainingsdaten (SD) trainiert wird, die dazu dienen, mögliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes (A) abzubilden und Steuerbefehle (SB) in dem Netzabschnitt (A) zu bestimmen, wobei nur ausgewählte Teile der synthetischen Trainingsdaten (SD) zum Training des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) verwendet werden, um die Steuerbefehle (SB), insbesondere trotz unvollständiger Zustandsdaten, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung (SE) im Netzabschnitt (A), nachzubilden und somit kritische Netzzustände, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, zu vermeiden.
Trainingsverfahren nach Anspruch 1, wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) mithilfe von synthetischen Trainingsdaten (SD) trainiert wird, die topologische Zustandsdaten im Betrieb des Netzabschnittes (A) abbilden, und/oder wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) mithilfe von synthetischen Trainingsdaten (SD) trainiert wird, die unterschiedliche Netzzustände im Betrieb des Netzabschnittes (A) abbilden, und/oder wobei die synthetischen Trainingsdaten (SD) mithilfe von Standardlastprofilen und/oder historischen Reallastprofilen des Netzabschnittes (A) erstellt werden, die mithilfe von Zeitreihen und/oder stochastischen Verfahren vervielfacht werden, um insbesondere zeitlich korrelierte und/oder unkorrelierte Zustandsdaten zu erstellen, und/oder wobei die synthetischen Trainingsdaten (SD) mithilfe eines einstellbaren Parameterdatensatzes erstellt werden, der bestimmte Umgebungsparameter, Wetter, Jahreszeit, Uhrzeit, usw. berücksichtigt, und/oder der bestimmte Topologien im Netzabschnitt (A) berücksichtigt, insbesondere umfassend Photovoltaik, Windenergie, E-Mobility, usw.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur bestimmte Teile der synthetischen Trainingsdaten (SD) ausgewählt werden, um das künstliche neuronale Netz (KNN) zu trainieren, mit unvollständigen Zustandsdaten umzugehen und dennoch bestimmte Steuerbefehle (SB) zu erreichen, vorzugsweise ohne eine Zustandsschätzung (SE) im Netzabschnitt (A) vorzunehmen, und/oder wobei nur ein Teil in Höhe von 1% bis 20%, bspw. nur 10%, der synthetischen Trainingsdaten (SD) verwendet wird, um das künstliche neuronale Netz (KNN) zu trainieren, mit unvollständigen Daten umzugehen und dennoch bestimmte optimale Steuerbefehle (SB) zu erreichen.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei den synthetischen Trainingsdaten (SD) seltene kritische Netzzustände gezielt aufgeprägt werden, um das künstliche neuronale Netz (KNN) zu trainieren, mit kritischen Netzzuständen, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, umzugehen.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Auswahl der synthetischen Trainingsdaten (SD), die dem künstlichen neuronalen Netz (KNN) zum Training angeboten werden, vorhandene Messpunkte, Topologien, Spannungsebenen und/oder Betriebsmittel im Netzabschnitt (A) berücksichtigt werden, und/oder wobei bei der Auswahl der synthetischen Trainingsdaten (SD), die dem künstlichen neuronalen Netz (KNN) zum Training angeboten wurden, die Zustandsdaten ausgewählt werden, die bestimmte Unterabschnitte des Netzabschnittes (A) betreffen.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) eine Parametrierung von Latenzen durchgeführt wird, um eine geregelte Abfolge der Messdatenerfassung und Steuerbefehlsübermittlung zu ermöglichen, und/oder wobei beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) dem künstlichen neuronalen Netz (KNN) mehrmals die gleichen ausgewählten Teile der synthetischen Trainingsdaten (SD) angeboten werden, um eine zurückhaltende, rückgekoppelte und/oder feedbackbasierte Steuerbefehlserzeugung zu ermöglichen, und vorzugsweise um eine schrittweise und/oder kontrollierte Annäherung an die bestimmten optimalen Steuerbefehle (SB) zu ermöglichen.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Trainieren des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) eine Zielfunktion (ZF) verwendet wird, die Nutzen und Kosten berücksichtigt, wobei insbesondere die Nutzen ein Vermeiden von kritischen Netzzuständen, umfassend Strom- und/oder Spannungsabweichungen, insbesondere Überstrom, Überspannung und/oder Unterspannung, beinhalten, und/oder wobei vorzugsweise die Kosten von einer Blindleistung und einer Wirkleistung im Betrieb des Netzabschnittes (A) abhängen, wobei bevorzugt die Zielfunktion (ZF) als eine Bewertungsfunktion und/oder eine Optimierungsfunktion verwendet wird.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) offline der Netzstation (100) trainiert wird, und/oder wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) durch ein selbstlernendes künstliches neuronales Netz bereitgestellt wird, und/oder wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen trainiert wird.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb der Netzstation (100) Betriebsdaten gesammelt werden, die den synthetischen Trainingsdaten (SD) hinzugefügt werden, und/oder wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) regelmäßig, bspw. bei Änderungen im Netzabschnitt (A), periodisch, bspw. wöchentlich, monatlich und/oder halbjährlich, trainiert wird, um ein Update zu erhalten.
Trainingsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebsparameter (BP) eine Leistung, insbesondere eine Wirkleistung und/oder eine Blindleistung, einen Strom, eine Spannung und/oder einen Phasenwinkel an elektrischen Leitungen (L) aufweisen, die die verschiedenen Netzknoten (Ni) verbinden, und/oder wobei die Steuerbefehle (SB) Steuerparameter, insbesondere eine Leistung, insbesondere eine Wirkleistung und/oder eine Blindleistung, einen Strom, eine Spannung und/oder einen Phasenwinkel, an korrespondierenden Leitungen (L) aufweisen, und/oder wobei die Steuerbefehle (SB) Stellgrößen, insbesondere Schalterstellungen und/oder Leistungsstufen, aufweisen.
Netzübergabemodul (10) für eine Netzstation (100), insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, wobei die Netzstation (100) verschiedene Netzknoten (Ni), umfassend unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, in einem Netzabschnitt (A) verbindet, das Netzübergabemodul (10) aufweisend: - eine Kommunikationseinheit (11) zum Erhalten von Betriebsparametern (BP) von den verschiedenen Netzknoten (Ni), - eine Speichereinheit (12), in welcher ein, insbesondere offline, vorzugsweise mithilfe eines Verfahrens zum bestärkenden Lernen, trainiertes künstliches neuronales Netz (KNN) hinterlegt ist, - eine Recheneinheit (13), welche dazu ausgeführt ist, die Betriebsparameter (BP) mithilfe des künstlichen neuronalen Netzes (KNN) zu verarbeiten, um Steuerbefehle (SB), umfassend optimale Steuerparameter und/oder Stellgrößen, für die verschiedenen Netzknoten (Ni) bereitzustellen, wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) mithilfe eines Trainingsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche trainiert wurde.
Netzübergabemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Netzübergabemodul (10) als ein einzeln handhabbares Modul ausgebildet ist, welches dazu ausgebildet ist, an einer Netzstation (100) befestigt zu werden und eine Steuereinheit für die Netzstation (100) bereitzustellen.
Netzstation (100), insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, aufweisend ein Netzübergabemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Betriebsverfahren zum Betreiben einer Netzstation (100), insbesondere in Form einer Ortsnetzstation oder eines Umspannwerks, vorzugsweise für ein Niederspannungsnetz und/oder ein Mittelspannungsnetz, wobei die Netzstation (100) über elektrische Leitungen (L) verschiedene Netzknoten (Ni), vorzugsweise unterschiedliche Verbraucher und/oder unterschiedliche Energieerzeuger, verbindet, wobei zum Betreiben der Netzstation (100) ein Netzübergabemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, um optimale Steuerbefehle (SB) für die verschiedenen Netzknoten (Ni) mithilfe eines trainierten künstlichen neuronalen Netzes (KNN) bereitzustellen.
Betriebsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Betrieb der Netzstation (100) Betriebsdaten gesammelt werden, die den synthetischen Trainingsdaten (SD) hinzugefügt werden, und/oder wobei das künstliche neuronale Netz (KNN) regelmäßig, bspw. bei Änderungen im Netzabschnitt (A), periodisch, bspw. wöchentlich, monatlich und/oder halbjährlich, zum Training an eine Lernstation geschickt wird, um ein Update zu erhalten.